KR20010075371A - 셀룰로즈 섬유의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수성 3급 아민 옥사이드에 용해된 셀룰로즈 용액으로부터 셀룰로즈 섬유를 생산하는 방법에 관한 것이다. 압출된 섬유는 방사욕을 통과한 후 절단되어 절단된 섬유는 플리스(fleece)의 형태로, 연결된 여러 개의 세척욕을 통과시킨 후 건조된다. 세척욕은 서로 연결되어 있으며, 새로운 세척액을 마지막 세척욕으로 공급하여 섬유 플리스의 운송방향과 반대방향으로 첫 번째 세척욕으로 향해 이동한다. 본 발명에 따르는 방법에서 각 세척욕의 pH값은 8.5 이상으로 유지된다.

Description

셀룰로즈 섬유의 제조방법 {METHOD FOR PRODUCING CELLULOSIC FIBERS}

최근 수 십년간 종래의 셀룰로즈 섬유의 비스코스 공정(viscose process)과 관련된 환경문제 때문에 셀룰로즈 섬유 생산에 있어 더욱 환경친화적인 대체 방법을 발견하고자 하는 노력이 집중되고 있다. 최근, 수년동안 유도체를 형성하지 않고 셀룰로즈를 유기용제에 용해하고, 이로부터 압출 성형하는 기술에 관한 관심이 특히 높아지고 있다. 이러한 종류의 용액에서 방사된 섬유를 BISFA(The International Bureau for the Standardisation of Man-Made Fibres)에서는 라이오셀(Lyocell)이라는 속명을 부여하고, 유기 화합물과 물의 혼합물을 유기용제라 하였다. 또한, 이러한 종류의 섬유를 "용제 방사 섬유(solvent-spun fiber)"라 칭하였다.

3급 아민 옥사이드와 물의 혼합물이 라이오셀 섬유 또는 기타 성형체의 생산용 유기용제로 특히 우수하다는 것도 밝혀져 있다. 이 경우, 아민 옥사이드로 N-메틸-모르폴린-N-옥사이드(NMMO)가 주로 사용되고 있다. 다른 적합한 아민 옥사이드로는 EP-A 0553 070호에 개시된 것이 있다. NMMO와 물의 혼합물 내의 셀룰로즈용액으로부터 셀룰로즈의 성형체를 생산하는 방법은 예를 들면 미합중국 특허 제4,246,221호 또는 국제특허 공보 제93/19230호에서 개시되어 있다. 상기 명세서에서 셀룰로즈 용액은 방사구에서 압출되어, 에어갭으로 연신되며 침전욕의 수용액으로 침전된다. 이후 이 과정은 "아민옥사이드 공정" 또는 "라이오셀 공정"으로 칭하고, 셀룰로즈를 용해할 수 있는 모든 3급 아민 옥사이드에 대해 "NMMO"라 약칭한다. 아민 옥사이드 공정에 따라 제조된 섬유는 건조 상태 및 젖은 상태에서 섬유 강도가 높고, 젖은 계수(wet modulus)가 높고 또한 루프 강도가 높은 특징을 가진다.

국제특허 공보 제WO 97/14829호에서는 침전욕에서 꺼낸 새로이 방사된 라이오셀 섬유를 절단하고 불규칙하게 배향된 섬유인 플리스(fleece)의 형태로 세척하는 방법을 기재하고 있다.

국제특허 공보 제WO 92/14871호에서는 아민 옥사이드 공정에 따라 생산된 섬유의 세척 공정을 기재하고 있다. 이 공정에서는 연속되어 아직 절단되지 않은 섬유를 토우(tow) 형태로 연속 수조에 통과시켰다. 스테이플 섬유로 섬유를 절단하는 단계는 공정의 후단계에서 실시한다.

국제특허 공보 제WO 92/14871호에서는 세척욕의 pH값이 8.5 이하여야만 하고, 그렇지 않으면 생산된 섬유는 피브린화하는 경향이 커진다고 강조하였다.

이점에 대해, 국제 특허 공보 제92/14871호에서는 세척 단계 중 한 단계가 알칼리 pH값이 우세한 표백 단계로 설정되는 것은 셀룰로즈 섬유의 생산을 위한 비스코스 공정에서 공지된 것이라고 지적하고 있다. 그러나, 아민옥사이드 공정에서는 NMMO를 회수하기 위해 모든 세척액을 재순환시킨다는 것이 공지되어 있다. 이 점과 관련하여, 국제특허 공보 제WO 92/14871호에서는 세척욕이 서로 연결되고 새로운 세척액이 마지막 세척욕으로 공급되어 섬유 토우의 운송방향과 반대방향으로 첫 번째 세척욕을 향해 흐른다고 기재하고 있다. 다량의 화학물질 첨가제를 이 회로에 첨가하는 것은 바람직하지 않기 때문에, 표백 단계는 아민옥사이드 공정에서 세척액의 회로에 참가할 수 없다. 서로 연결된 세척욕과는 독립된 표백욕을 제공하는 것만이 가능하다. 이후에, "세척욕"이 언급되면, 이러한 종류의 독립적인 표백욕을 의미하는 것은 아니다.

아민 옥사이드 공정에 따라 생산된 섬유 세척에 따른 다른 문제는 섬유에 들러붙는 모든 NMMO를 섬유로부터 완전히 제거해야만 한다는 것이다.

본 발명은 NMMO를 최소한의 노력으로 섬유로부터 자체적으로 세척하여 제거하는 것이 가능한 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 수성 3급 아민 옥사이드에 용해된 셀룰로즈 용액으로부터 셀룰로즈 섬유를 제조하는 방법에 관한 것이다.

도 1은 새로이 방사하여 절단된 라이오셀 섬유로부터 섬유 플리스를 세척하는 공정의 대략적인 간략도이다.

상기 목적은 수성 3급 아민 옥사이드에 용해된 셀룰로즈 용액으로부터 셀룰로즈 섬유를 생산하는 방법으로, 압출된 섬유를 침전욕에 공급하여 절단하고 절단된 섬유를 플리스 형태로 연속 세척욕들―여기서, 세척욕들은 서로 연결되어 있고, 새로운 세척액이 마지막 세척욕으로 공급되어 섬유 플리스의 운송방향과 반대방향으로 첫 번째 세척욕을 향해 이동됨―을 통과하며, 각 세척욕의 pH는 8.5 이상인 셀룰로즈 섬유의 제조방법으로 달성된다. 본 발명에서는 이하 8.5 이상의 pH값을 "알칼리 pH 값"이라 칭한다.

본 발명은 서로 연결된 연속 세척욕의 소위 "세척라인"에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 서로 연결된 각 세척욕의 세척액의 pH값은 8.5이상으로 유지되어야 한다. 따라서, 세척욕에 연결되지 않고 동일한 세척액이 채워지지 않은 별도의 표백욕과 같은 욕은 본 발명에 의해 다루어지지 않는다.

의외로, 토우 형태의 연속 섬유를 세척하는 경우와는 대조적으로 새로이 방사되고 절단된 플리스 형태의 라이오셀 섬유를 세척하는 경우에서, 세척욕이 알칼리 pH값을 가지면 소수의 세척 단계만으로도 섬유에서 NMMO를 완전히 제거할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 이 방법에서, 세척수 및 장치에 대한 필요성은 명백하게 감소되어 공정 단가에 대한 긍정적인 영향을 미칠 수가 있다.

또한, 토우 형태의 섬유를 세척하는 것과는 달리, 세척욕의 알칼리 pH값은 제조된 섬유의 피브린화하는 경향에 부정적인 영향을 미치지 않는다.

본 발명에 따르는 방법의 바람직한 실시예는 세척욕의 pH값을 9 내지 11로 조정하는 것이다. 또한, 세척욕의 pH 값은 10 내지 11로 조정하는 것이 더욱 바람직하다.

첫 번째 세척욕에서 섬유의 NMMO를 세척하는 것으로, 섬유에서 가장 많은 량의 NMMO가 제거되는 것으로 밝혀졌다. 이후의 세척욕에서는 매우 소량의 NMMO만이 존재하지만, 세척해 내기는 더욱 어려워진다. 세척액이 알칼리의 pH이면, NMMO가 이후의 세척욕에서 세척되어지는 비율이 증가하게 된다.

본 발명의 바람직한 형태에서, 세척욕의 pH값은 알칼리 완충물질을 첨가하여 조정할 수 있다. 이점에서, 수산화나트륨을 첨가하는 것이 바람직하다. 이 경우요구되는 수산화나트륨의 함량은 각각의 플리스의 pH값, 플리스의 습도와 같은 공정 변수에 따라 달라지는 것으로, 주어진 환경에서 숙련자에 의해 쉽게 조정할 수 있다. 간단하게는, 세척욕의 pH값에 따라 그 첨가량을 조절 할 수 있다.

수산화나트륨을 세척욕 중 하나에만 또는 세척 공정의 여러 위치에 첨가할 수 있다. 세척욕에 알칼리를 첨가하는 것은 세척욕의 정화 단계 및 용제의 회수 단계와 같은 후속 단계에 부정적인 영향을 주지 않는 것으로 알려져 있다.

구체적으로, 서로 연결된 세척욕을 포함하는 세척라인의 2/3에서 알칼리 완충 물질을 첨가하는 것이 바람직하다. 이것은 알칼리 pH값이 특히 중요한 역할을 하는 최종 세척욕이 충분히 알칼리성이 되도록 하는 한편, 너무 많은 알칼리 완충물질이 세척된 섬유에서 방출되지 않는 것을 보장한다.

또한, 세척욕에서 나와 다음의 세척욕에 들어가기 전에 섬유 플리스에서 세척액을 제거하는 것이 바람직하다. 이것으로, NMMO-함유 세척수가 다음의 세척단계로 따라 들어가는 것을 상당히 방지할 수 있다.

세척수의 온도는 약 20℃내지 90℃가 바람직하다.

플리스를 세척하기 위해, 플리스는 세척액으로 채워진 세척욕으로 공급될 수 있다. 세척욕은 또한 플리스로 세척액을 분사하도록 설정할 수도 있다.

세척액 대 섬유 플리스의 대략적인 비율은 1.5:1 내지 40:1이 바람직하다.

본 발명은 다음의 도면 및 실시예에 의해 더욱 상세하게 기재된다.

섬유 플리스(10)를 예를 들면 스크린 벨트(도시되지 않음)에 의해 여러 개의 세척욕(도 1에서는 5개의 세척욕이 있음)으로 운반한다. 각 세척욕에서 스크린 벨트 아래에 위치하는 욕조(1 내지 5)의 세척액을 섬유 플리스 위에서 분사한다. 세척액은 각기 욕조를 향해 다시 아래로 떨어진다. 새로운 세척수(13)는 마지막 세척욕(욕조 5)으로 공급한다. 마지막 세척욕으로 새로운 세척수가 공급되는 속도보다 각기 세척욕 내에서의 순환속도가 빠르도록 세척수는 각각의 세척욕 내에서 순환한다. 섬유 플리스의 이송방향과는 반대방향으로 과잉의 세척수를 각기 세척욕의 상류로 공급한다. 각 세척욕을 지난 후에는 롤러 페어(11,12)와 같은 한 쌍의 롤러에 의해 섬유 플리스에서 세척액을 짜낸다. 마지막 세척욕에서 나온 후, 세척된 섬유 플리스를 다른 후처리 단계에 공급하거나 건조시킨다. 첫 번째 세척욕에서 나온 세척수를 침전욕에 추가로 공급하여 각기 NMMO 정화 및 회수한다.

실험예 1(비교예)

연속 공정 파일롯 시설에서, 새로이 방사된 라이오셀 섬유의 섬유 플리스를 상기 기재한 일반 처리방법에 따라 추가의 처리 없이, 세척액으로서 약한 알칼리수를 사용하여 5개의 세척욕에서 세척하였다.

각 세척욕 후에는 플리스의 수분을 약 200%까지 제거하였다. 최종 세척욕 후에 플리스의 수분을 약 100%까지 제거하고 플리스를 건조하였다.

실험예 2(본 발명에 따르는 실시예)

4번째 세척욕 공정 이내에 0.1M NaOH를 첨가하여 세 번째 세척욕의 입구에서 pH를 약 11로 만든 것 외에는 실험예 1과 동일한 공정을 실시하였다.

양쪽의 실험예에서, 각 세척욕에서 세척된 NMMO의 함량을 측정하였다. 이것은 다음의 식에 따라 산출되는 방출인자 f에 의해 결정된다:

f = (c₁-c₂)/c₁

상기 식에서, c₁은 세척욕에 들어가는 섬유의 NMMO 농도이고, c₂는 세척욕에서 나오는 섬유의 NMMO 농도이다. 방출인자 f의 값이 클수록 각기 세척욕에서 NMMO가 더욱 완전하게 세척된다는 것을 의미한다.

표에서, 세척욕에서 측정된 pH값과 방출 인자를 서로 비교하였다.

	비교예	본 발명에 따르는 실시예
세척욕	pH 값	방출 인자 f	pH 값	방출 인자 f
1	7.6	0.7	10.4	0.8
2	7.1	0.5	10.8	0.6
3	7.3	0.5	11.1	0.6
4	7.3	0.5	11.3	0.6
5	8.2	0.4	9.7	0.9

상기 특징을 비교하면, 본 발명에 따르는 실시예에서는 하나의 세척욕에서도 섬유의 NMMO 함량은 크게 낮아질 수 있다는 것을 알 수 있다. 이것은 소량의 NMMO 잔류량을 제거하는 것이 특히 어려운 마지막 세척욕에서는 특히 들어맞게 된다. 따라서 본 발명에 따르는 실시예에서, 훨씬 작은 수의 세척욕으로도 NMMO를 완전히 제거하는 것이 가능하여 비용을 절감할 수가 있다.

Claims (6)

1. 수성 3급 아민 옥사이드에 용해된 셀룰로즈 용액으로부터 셀룰로즈 섬유를 생산하는 방법으로, 압출된 섬유를 침전욕에 공급하여 절단하고 절단된 섬유를 플리스 형태로 연속 세척욕들―여기서, 세척욕들은 서로 연결되어 있고, 새로운 세척액이 마지막 세척욕으로 공급되어 섬유 플리스의 이송방향과 반대방향으로 첫 번째 세척욕을 향해 이동됨―을 통과하며, 각 세척욕의 pH는 8.5 이상으로 유지되는 셀룰로즈 섬유의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   각 세척욕의 pH가 9 내지 11로 유지되는 셀룰로즈 섬유의 제조방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   세척욕의 pH값이 알칼리 완충 물질을 첨가하여 설정되는 셀룰로즈 섬유의 제조방법.
4. 제3항에 있어서,

   수산화나트륨을 적어도 하나의 세척욕에 첨가하는 셀룰로즈 섬유의 제조방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   섬유 플리스를 세척욕에서 꺼내고 다음 세척욕에 넣기 전에 섬유 플리스의 세척액을 제거하는 셀룰로즈 섬유의 제조방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

   세척액의 온도가 20℃ 내지 90℃인 셀룰로즈 섬유의 제조방법.